系统集成说明书

中北大学

课程设计说明书

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2015 年 7 月 1 日

目录

1 课程设计目的 (1)

2 课程设计内容和要求 (1)

2.1 设计内容 (1)

2.2 设计要求 (1)

3 设计方案及实现情况 (1)

3.1 设计方案及论证 (1)

3.1.1 DC-DC主回路拓扑 (1)

3.1.2 控制方案选择 (2)

3.2 工作原理及框图 (2)

3.2.1 Boost升压主电路 (2)

3.2.2开机保护电路 (4)

3.2.3开关管保护电路 (4)

3.2.4 输出滤波和输出过流保护 (4)

3.2.5 KL26主控电路及采集 (5)

3.2.6 键盘输入及显示 (6)

3.3 效率分析及计算 (6)

3.4 硬件电路原理图 (7)

3.5 仿真分析 (7)

3.6 PCB版图设计 (8)

3.7 系统测试 (8)

3.7.1测试使用的仪器 (8)

3.7.2测试方法 (8)

3.7.3测试数据 (9)

3.7.4 指标完成 (9)

4课程设计总结 (9)

参考文献 (9)

1 课程设计目的

1.学习操作数字电路设计实验开发系统，掌握开关电源的工作原理。

2.掌握C语言开发设计，熟悉单片机的工作原理。

3.掌握基于单片机系统的开发设计。

2 课程设计内容和要求

2.1 设计内容

设计并制作一个开关稳压电源。输入220V交流电，输出30V~36V可调直流电。通过液晶屏显示。

2.2 设计要求

基本要求：（在电阻负载条件下，使电源满足下述要求）

1、输出电压U O可调范围：30V～36V；

2、最大输出电流I Omax：2A；

3、U2从15V变到21V时，电压调整率S U≤2%（I O=2A）；

4、I O从0变到2A时，负载调整率S I≤5%（U2=18V）；

5、输出噪声纹波电压峰-峰值U OPP≤1V（U2=18V,U O=36V,I O=2A）；

6、DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,U O=36V,I O=2A）；

发挥部分：

1、进一步提高电压调整率，使S U≤0.2%（I O=2A）；

2、进一步提高负载调整率，使SI≤0.5%（U2=18V）；

3、提高效率，使效率≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；

4、能对输出电压进行键盘设定和步进调整，同时显示输出电压电流。

3 设计方案及实现情况

3.1 设计方案及论证

3.1.1DC-DC主回路拓扑

方案一：图1是间接直流变流电路：结构如图1-1所示，可以实现输出端与输入端的隔离，适合于输入电压与输出电压之比远小于或远大于1的情形，但由于采用多次变换，电路中的损耗较大，效率较低，而且结构较为复杂。

图1 间接直流电路

方案二： Boost 升压斩波电路：拓扑结构如图1-2所示。开关的开通和关断受外部PWM 信号控制，电感L 将交替地存储和释放能量，电感L 储能后使电压泵升，而电容C 可将输出电压保持住，输出电压与输入电压的关系为UO=(ton+toff)，通过改变PWM 控制信号的占空比可以相应实现输出电压的变化。该电路采取直接直流变流的方式实现升压，电路结构较为简单，损耗较小，效率较高。（如图2）

图2 boost 升压电路

综合比较，我们选择方案二。 3.1.2 控制方案选择

方案一：利用PWM 专用芯片产生PWM 控制信号。此法较易实现，工作较稳定，但不易实现输出电压的键盘设定和步进调整。

方案二：利用KL26单片机产生PWM 控制信号。让单片机根据反馈信号对PWM 信号做出相应调整以实现稳压输出。这种方案实现起来较为灵活，可以通过调试针对本身系统做出配套的优化。但是系统调试比较复杂。 我们选择方案二 。 3.2 工作原理及框图 3.2.1 Boost 升压主电路

图3是Boost 升压电路包括驱动电路和Boost 升压基本电路。电力晶体管（GTR ）耐

压高、工作频率较低、开关损耗大；电力场效应管（Power MOSFET ）开关损耗小、工作频率较高。从工作频率和降低损耗的角度考虑，选择电力场效应管作为开关管IRF540。选择ESAD85M-009型肖特基二极管，其导通压降小，通过1 A 电流时仅为0.35V ，并且恢复时间短。实际使用时为降低导通压降将两个肖特基二极管并联。

R L

（1） 电感值的计算：

()

2

2

O

O IN O IN

B

fU mI U U U L -=

其中，m 是脉动电流与平均电流之比取为0.25，开关频率f=20 kHz,输出电压为36V 时，L B =527.48μH ，取530μH 。电感线径的计算：最大电流I L 为2.5A ，

电流密度J 取4 A/mm 2，线径为d,则由L I d J =2

2

*）（π得d=0.892 mm,工作频率为20kHz,需考虑趋肤效应，制作中采取多线并绕方式，既不过流使用，又避免了趋肤效应导致漆包线有效面积的减小。

（2）电容的参数计算：

O

O IN O O B U f U U U I C ∆-=

）（ 其中，ΔU O 为负载电压变化量，取20 mV,f=20kHz,U O =36V 时,C B =1465μF,取为2000μF ，实际电路中用多只电容并联实现，减小电容的串联等效电阻（ESR ），起到减小输出电压纹波的作用，更好地实现稳压。

（3）boost 损耗计算：

输出电流有效值）（D D I I IN RMS O -⨯⨯=-113.1 代入数据得 I O-RMS =2.069 A

而电容的损耗 2/2

1ESR I P RMS O CO ⨯=-

等效串联电阻ESR 取为10 m Ω，代入得P CO1=0.0428 W

图 3 主回路